Al-Cu-Mg包共晶凝固行为实验研究及凝固路径数值模拟

论文摘要

液态金属的凝固机制、相变规律及其形貌组织演变是凝聚态物理和材料科学领域共同关注的重要课题之一。针对二元合金系的凝固已经建立了成熟的快速枝晶生长和共晶生长模型,对偏晶和包晶凝固的研究也取得了很大进展。但是实际应用中的合金绝大多数为三元甚至多元合金,迄今为止,即使对于三元合金,相对完整的凝固理论体系还尚未建立。因此,围绕多元合金系开展系统深入的凝固规律研究仍是今后凝固科学的主要方向之一。目前,诸多三元合金系,如工业用铝合金Al-Fe-Si和Al-Cu-Mg,耐磨铸铁Fe-C-Cr,以及Fe-Mo-Si、Pb-Bi-Sn、Cu-Ni-Sn等,其凝固过程中均发生三元包共晶反应,即L+α→β+γ,从反应物看它具有包晶反应的特征,从生成物看它又像共晶反应,涉及的相变反应相对较为复杂,目前尚无完整的理论体系建立,其中关于三元包共晶合金凝固规律的研究很少,人们对于三元包共晶合金凝固特点的了解相对匮乏。因此,研究包共晶合金的凝固机制、组织形态演变规律及相组成特点,有着重要的理论和工程意义。由于本文研究的三元包共晶合金在经历三元包共晶反应之后,继而发生了三元共晶反应,最终凝固组织由复杂的包共晶组织及三元共晶组织构成。为了更好的研究包共晶组织,本文首先研究了三元共晶附近合金成分的凝固组织转化特点、相组成及凝固路径,并对其进行了数值模拟计算;在此基础之上,本文又对Al-Cu-Mg包共晶附近合金成分的凝固组织转化特点及相组成进行了研究,并对其凝固路径进行了数值模拟。本文主要完成了以下内容:设计了本文实验所用装置,包括液淬石墨样杯、样杯卡具、铸型以及热电偶的制备等。研究了Al-Cu-Mg三元共晶合金相组成以及显微组织转变规律,在此基础上得出了Al-Cu-Mg三元共晶合金凝固路径,同时结合本课题组提出的微观偏析统一模型及Thermo-Calc软件,改进已有的算法对Al-4.37%Cu-27.02%Mg、Al-10.68%Cu-25.00%Mg两种合金凝固路径进行数值模拟。继Al-Cu-Mg三元共晶合金研究之后,本文采用液淬试验方法研究了Al-Cu-Mg三元包共晶合金相组成以及组织转变特点,在此基础上得出了Al-Cu-Mg三元包共晶合金凝固路径以及可能的包共晶凝固机制,并结合本文改进的算法对Al-14.15%Cu-18.40%Mg包共晶合金凝固路径进行数值模拟。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 Al-Cu-Mg 三元合金系简介
• 1.3 凝固路径简介
• 1.4 国内外Al-Cu-Mg 合金凝固路径研究现状及分析
• 1.4.1 Al-Cu-Mg 合金凝固路径研究现状
• 1.4.2 Al-Cu-Mg 合金凝固路径研究现状分析
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 实验材料与方法
• 2.1 实验合金的配制
• 2.2 实验所用装置设计
• 2.2.1 液淬样杯的设计
• 2.2.2 液淬样杯卡具的设计
• 2.2.3 三种不同材质的铸型设计
• 2.2.4 测温热电偶的设计
• 2.3 Al-Cu-Mg 三元共晶及包共晶试验
• 2.3.1 Al-Cu-Mg 三元共晶实验
• 2.3.2 Al-Cu-Mg 三元包共晶实验
• 2.4 本章小结
• 第3章 Al-Cu-Mg 三元共晶凝固路径分析及数值模拟
• 3.1 Al-Cu-Mg 三元共晶反应相组成及显微组织分析
• 3.1.1 Al-Cu-Mg 三元共晶凝固曲线分析与相组成
• 3.1.2 Al-Cu-Mg 三元共晶反应显微组织及分析
• 3.2 Al-Cu-Mg 三元共晶反应凝固路径分析
• 3.3 Al-Cu-Mg 三元共晶反应凝固路径数值模拟
• 3.3.1 本文微观偏析统一模型简介
• 3.3.2 Al-Cu-Mg 三元共晶反应凝固路径数值模拟
• 3.4 本章小结
• 第4章 Al-Cu-Mg 三元包共晶凝固路径分析及数值模拟
• 4.1 Al-Cu-Mg 三元包共晶反应相组成及显微组织分析
• 4.1.1 Al-Cu-Mg 三元包共晶凝固曲线分析与相组成
• 4.1.2 Al-Cu-Mg 三元包共晶反应显微组织及分析
• 4.2 Al-Cu-Mg 三元包共晶反应凝固路径分析
• 4.3 Al-Cu-Mg 三元包共晶反应凝固机制
• 4.4 Al-Cu-Mg 三元包共晶反应凝固路径数值模拟
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 附录1 液淬石墨样杯尺寸图
• 附录2 液淬样杯卡具装配图
• 附录3 液淬实验装置总体装配图
• 致谢